1、多点温度检测系统设计 第 1 页 共 27 页 目 录 摘要 2 ABSTRACT 3 第一章 绪 论 4 1.1 系统背景 4 1.2 系统概述 4 第二章 方案论证 4 2.1 传 感器部分 5 2.2 主控制部分 6 2.3 系统方案 6 第三章 硬件电路设计 7 3.1 电源以及看门狗电路 7 3.2 键盘以及显示电路 9 3.2 温度测试电路 11 3.3 串口通讯电路 15 3.4 整体电路 16 第四章 软件设计 16 4.1 概述 16 4.2 主程序方案 16 4.3 各模块子程序设计 18 第五章 系统调试 20 5.1 分步调试 20 5.2 统一调试 20 结束语 21
2、 参考文献 22 附录 一 :软件流程图 24 附录二：电路原理图 25 致 谢 27 多点温度检测系统设计 第 2 页 共 27 页 多点温度检测系统 摘要 DS18B20 是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。本文结合实际使用经验，介绍了 DS18B20 数字温度传感器在单片机下的硬件连接及软件编程，并给出了软件流程图。 该系统由上位机和下位机两大部分组成。下位机实现温度的检测并提供标准 RS232通信接口，芯片使用了 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机和 DALLAS 公 司的 D
3、S18B20 数字温度传感器。上位机部分使用了通用 PC。 该系统可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。 关键字 ： 温度测量；单总线；数字温度传感器；单片机 多点温度检测系统设计 第 3 页 共 27 页 Abstract As a kind of high-accuracy digital net temperature sensor， DS18 B20 can be used building a sensor net easily. It can also make the net simple and reliable with its special 1-wire i
4、nterface .This paper introduces the application of DS18B20 with single chip processor. The system is constituted by two parts the temperature measured part and displayed part. The temperature measured part has a RS232 interface. It used AT89C51 of ATMEL company and DS18B20 of DALLAS company .The dis
5、played part uses PC .This system is applied in such domains as warehouse detecting temperature；air-conditioner controlling system in building and supervisory productive process etc. Key words： temperature measure； single bus； digital thermometer； single chip processor； 多点温度检测系统设计 第 4 页 共 27 页 第一章 绪
6、论 1.1系统背景 在 工、 农业生产和日常生活中，对温度的测量及 控制占据着极其重要地位。首先让我们了解一下多点温度检测系统在各个方面 的应用领域：消防电气的非破坏性温度检测，电力、电讯设备之过热故障预知检测，空调系统的温度检测，各类运输工具之组件的过热检测，保全与监视系统之应用，医疗与健诊的温度测试，化工、机械等设备温度过热检测。温度检测系统应用十分广阔。 1.2 系统概述 本设计运用主从分布式思想，由一台上位机（ PC 微型计算机），下位机（单片机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用 RS-232串行通讯标准，通过上位机（ PC）控制下位机（单片机）进
7、行现场温度采集。温度值既可以送回主控 PC 进行数据 处理，由显示器显示。也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。 下位机采用的是单片机基于 数字温度传感器 DS18B20 的 系统。 DS18B20 利用单总线的特点可以方便的实现多点温度的测量 ， 轻松的组建传感器网络，系统的抗干扰性 好 、设计灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。 本系统可以应用在大型 工业及民用常温多点监测场合 。 如粮食仓储系统、楼宇自动化系统、 温控制程生产线之温度影像检测 、 医疗与健诊的温度测试 、 空调系统的温度检测 、石化、 机械 等。 第二章 方案论证 温度检测系
8、统有则共 同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、 A/D 转换及相应的接口电 路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。这样，多点温度检测系统设计 第 5 页 共 27 页 由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降 。 所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：温度 传感器的选择和主控单元的设计。温度传感器应用范围广泛、使用数量庞 大，也高居各类传感器之首。 2.1 传感器部分 方 案一： 采用热敏电阻，
9、可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测 1摄氏度的信号是不适用的。而且在温度测量系统中 ,采用单片温度传感器 ,比如 AD590,LM35 等 .但这些芯片输出的 都是模拟信号 ,必须经过 A/D 转换后才能送给计算机 ,这样就使得测温装置的结构较复杂 .另 外 ,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器 ,不能进行多点测量 .即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。 方案二： 在多点测温系统中，传统的测温方法是将模拟信号远距离采样进行 AD 转换，而为 了获得较高的测温精度，就必须采用措施解决由长线传输，多点测量切换
10、及放大电路零点漂移等造成的误差补偿问题。采用数字温度芯片 DS18B20 测量温度，输出信号全数字化。便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。在 0 100 摄氏度时，最大线形偏差小于 1 摄氏度。 DS18B20 的最大特点之一 采用 了单总线的 数据传输 ， 由数 字温度计 DS1820和微控制器 AT89C51 构成的温度测量装置 ,它直接输出温度的数字信号 ,可直接与计算机连接 。 这样 ,测温系统 的结构就比较简单 ,体积也不大 ,且由于 AT89C51 可 以带多个DSB1820,因此可以 非常容易
11、实现多点测量 .轻松的组建传感器网络 。 采用温度芯片 DS18B20 测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。 多点温度检测系统设计 第 6 页 共 27 页 2.2 主控制部分 方案一： 此方案采用 PC 机实现。它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便 。且人机交互友好。但是 PC 机输出信号不能直接与 DS18B20 通信。需要通过 RS232 电平转换兼容，硬件的合成
12、在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC 机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦！ 方案二： 此方案采用 AT89C51 八位单片机实现。单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以单独对多 DS18B20 控制工作，还可以与 PC机通信 .运用主从分布式思想，由一台上位机（ PC微型计算机），下位机（单片 机）多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统 ,实现远程控制。另外 AT89C51 在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。 2
13、.3 系统方案 综上所述 ,温度传感器以及主控部分都采用第二方案。 系统采用针对传统温度测温系统测温点少，系统兼容性及扩展性较差的特点，运用分布式通讯的思想。设计一种可以用于大规模多点温度测量的巡回检测系统。该系统采用的是 RS-232 串行通讯的标准，通过下位机（单片机）进行现场的温度采集，温度数据既可以由下位机模块实时显示，也可以送回 上位机进行数据处理，具有巡检速度快，扩展性好，成本低的特点。 实际采用电路方案如下图： 多点温度检测系统设计 第 7 页 共 27 页 第三章 硬件电路设计 系统底层电路的功能主要包括：多点温度测试及其相关处理，实时显示温度信息，与上位机通讯传输温度数据。硬
14、件设计主要包括以下几个模块：电源以及看门狗电路， 键盘以及显示电路，温度测试电路，串口通讯电路。下面对电路分模块进行说明 3.1 电源以及看门狗电路 a电源电路 因为单片机工作电源为 +5V，且底层电路功耗很小。采用 7805 三端稳压片即可满足要求。 具体电路图如下： 下位机（ A T 8 9 C 5 1 ）上位机（ PC ）下位机（ A T 8 9 C 5 1 ）传感器模块显示模块控制模块传感器模块显示模块控制模块上位机（ ）下位机（ ）传感器模块显示模块控制模块传感器模块显示模块控制模块多点温度检测系统设计 第 8 页 共 27 页 b 看门 狗电路 考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣，
15、单片机会受到周围环境的干扰，而出现程序跑飞，死机 等一些不可预知的不正常工作现象。工作人员也不可能到现场对单片机重起，本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。定时查询单片机的工作状态 ,一但发现异常即对单片机延时重起。保证系统安全可靠的运行。 NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号，其门限电平为 4.2V 。 在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时。 NE56604将产生精确的复位信号。 NE56604内置一个看门狗定时器，用于监控微处理器，以确保微 处理器的正常运行。看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操作。NE56604的看门狗
16、的监控周期为 100mS（ 典型值）。 特性 .正负双逻辑输出的有效复位信号。 .精准的门限电平监测。 .上电复位内部延时。 .可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。 .看门狗定时器的监控周期为 100mS 典型值。 .VCC=0.8VDC时产生有效的复位信号典型值。 .仅需很少的外围元件。 具体电路图如下 : 多点温度检测系统设计 第 9 页 共 27 页 3.2 键盘以及显示电路 键盘电路 单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路 ,以及专一的复位功能外 ,其它的按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。键盘有编码和非编码两种。非编码键盘硬件电路极为简单。故本系统采用拨码开关来
17、控制。具体电路如下： A. 开关状态的可靠输入 键开关状态的可靠输入有两种解决方法。一种是软件去抖动：它是在检测到有键按下时，执行一个 10ms 的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动影响。另一种为硬件去抖动：即为按键添加一个锁存器。两种方法都简单易行，本设计采用的是硬件去抖。 B. 对 按键进行编码给定键值或给出键号 对于按键无论有无编码，以及采用什么编码，最后都要转换成为与累加器中数值相对应的键值，以实现按键功能程序的散转转移。为使编码间隔小，散转入口地址安排方便，常采用依次序排列的键号。 拨码开关值 含义 0000 实
18、时显示通道一的温度值 0001 实时显示通道二的温度值 0010 实时显示通道三的温度值 多点温度检测系统设计 第 10 页 共 27 页 0011 实时显示通道四的温度值 0100 实时显示通道五的温度值 0101 实时显示通道六的温度值 0110 实时显示通道七的温度值 0111 实时显示通道八的温度 值 1* 自动循环显示所有通道的温度 C. 选择键盘监测方法 对是否有键按下的信息输入方式有中断方式与查询方式两种。本设计采用的查询法，即在在 CPU 空闲时调用键盘扫描子程序。 温度显示电路 设计采用的是共阴极七段数码管。显示方式有动态扫描和静态显示，两种方法在本设计中皆可。由于静态扫描要用到多片串入并出芯片，考虑到电路板成本计算。本人采用是节约硬件资源的动态扫描方式。即用两块芯片就可以完成显示功能。显示数据由4511 译码器输出， ULN2003 为位驱动扫描信号。 具体电路图如下：
